전기차·풍력발전기 모터 효율 높일 차세대 자석 제조 기술

전기차 구동 모터·풍력발전용 발전기 등에서 사용하는 자석의 두께를 키워도 높은 성능을 유지할 수 있는 새로운 자석 제조 기술이 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공.

전기차·풍력발전기 모터 등 고출력 장비의 효율과 안정성을 높일 수 있는 차세대 자석 제조 기술이 나왔다. 모터 내부 자석의 두께를 키워도 발열 없이 높은 자성을 유지할 수 있는 기술이다.

한국재료연구원(재료연)은 김수민 나노재료연구본부 선임연구원·이정구 책임연구원 연구팀이 두꺼운 자석 내부까지 자성을 유지하며 발열 문제를 줄인 새로운 '샌드위치' 자석 구조 제조 공정을 개발했다고 29일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '스크립타 머테리얼리아'에 지난달 18일 온라인 게재됐다.

전기차·풍력발전기 등의 모터에는 강한 자성이 있는 네오디뮴-철-붕소 자석을 사용한다. 모터가 더 큰 힘을 내려면 자석의 크기와 두께를 키워 자성을 높여야 하지만 자석은 두꺼워질수록 내부까지 강한 자성을 유지하기 힘들다.

 

특히 모터가 고속으로 작동하는 환경에서는 자석 내부에서 전기가 소용돌이처럼 흐르며 열을 만드는 '와전류'가 발생하며 발열이 증가해 자석 성능 저하·모터 효율 감소로 이어진다.

기존에는 고온에서 자성을 유지하도록 고가의 중희토 원소로 표면을 코팅한 뒤 중희토 원소가 내부로 들어가며 자성을 향상시키는 '입계확산' 공정을 사용했다. 하지만 입계확산이 표면에 집중돼 두꺼운 자석 내부까지는 효과가 충분히 전달되지 않고 고가 소재 사용에 따른 비용 부담도 컸다.

연구팀은 자석을 여러 층으로 쌓아 결합하는 '샌드위치 구조'를 적용해 기존 단점을 보완했다. 각 층 사이에 낮은 온도에서 잘 녹는 경희토 합금을 넣어 자석 표면 뿐 아니라 내부에서도 중희토 원소가 퍼지도록 설계했다.

새로운 구조로 만든 자석은 두꺼워져도 균일한 자성을 유지하고 고가 중희토 대신 경희토를 사용해 비용 부담이 적다. 자석 내부 전기 흐름을 억제하는 구조라서 와전류 발생이 줄고 발열이 적다.

연구팀은 새로운 제조 기술이 전기차 구동 모터·고효율 산업용 전동기·풍력발전용 발전기 등 고성능 자석이 필요한 분야에 적용 가능하다고 밝혔다. 고성능 자석 국산화를 통한 수입 의존도 완화와 자석 효율 향상으로 에너지 절감 효과가 나타나기를 기대한다고 덧붙였다.

김수민 선임연구원은 "두꺼운 자석에서도 균일한 성능을 확보하면서 발열 문제까지 동시에 해결했다"며 "전기 선박처럼 고특성 대형 자석이 필요한 분야에 활용할 수 있다"고 말했다.

 

<참고 자료>
doi.org/10.1016/j.scriptamat.2026.117288

김혁중(왼쪽부터) 학생연구원, 김수민 선임연구원, 이정구 책임연구원. 재료연 제공.

[조가현 기자,문혜원 인턴기자 gahyun@donga.com,moony@donga.com]